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ZAE BAYERN
Thermische Nutzung von Biomasse
Prof. Dr. Hartmut Spliethoff Lehrstuhl für Energiesysteme, TUM
ZAE Bayern
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Übersicht
- Entwicklungen zur Energieumwandlung- Biomasse
- Einteilung- Biomassepotentiale und -nutzung- CO2-Bilanz von Biomasse
- Biomassenutzung- Übersicht - Thermische Verfahren (Strom- und
Wärmeerzeugung)- Kraftstofferzeugung- Biogas
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1. Entwicklungen zur Energieumwandlung
Primärenergieträger - Zeitalter
Ende der fossilen Energieträger ?
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1. Entwicklungen zur Energieumwandlung
Primärenergieträger in der Welt
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2. Biomasse
Energetische Nutzung von BiomasseDefinition:
– Biomasse wird durch Photosynthese gebildet. Primärreaktion ist dabei die Umwandlung von Kohlendioxid und Wasser in Kohlenhydrate und Sauerstoff
– Unter Biomasse wird die Gesamtmasse der in einem Lebensraum vorhandenen Lebewesen verstanden, also alle Stoffe organischer Herkunft
Biomasse
Pflanzen Tiere Abfallstoffe Reststoffe Papier/Zellstoff
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2. Biomasse
Biogene Festbrennstoffe
Waldrestholz
Landschaftspflegeholz
Industrierestholz
Abriss- und Gebrauchtholz
Biogene Festbrennstoffe
Holzartige Biomasse
Rückstände Energiepflanzen
Halmgutartige Biomasse
Rückstände Energiepflanzen
Schnellwachsende Baumarten
Stroh Energiegetreide
Chinaschilf (Miscanthus)
Raps
Sonnenblume
Hanf
Mais
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2. Biomasse
Nutzung der SonnenergieEnergetischer Vergleich zwischen Solarthermie
und Biomasse
Solarthermie:
Biomasse
am
MJ
am
kJ
am
kWh
⋅=
⋅⋅⋅=
⋅ ²2900
²360010008,0
²1000
aha
t
⋅10
am
MJ
m
ha
aha
MJ
kg
MJ
aha
kg
⋅=⋅
⋅=⋅
⋅ ²4,14
²10000
11440004,1410000
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Quelle Frithjof Staiß, Helmut Bönisch, Helmut Seul, Regenerative Kraftstoffe 2003, ZSW Stuttgart, Basis Primärenergieverbrauch Deutschland 1999 14.194 PJ
Technisches Potenzial PJ/a
Pre
is B
iom
asse
Cen
t/kW
h H
u
200 400 600 800 1.000 1.200
2,0
1,5
1,0
0,5
0,0
-0,5
-1,0
-1,5
-2,0
Alth
olz
Gül
le, D
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r
kont
amin
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beha
ndel
t
Bio
.-or
g. A
bfäl
le Abf
allh
olz
unbe
hand
elt
Str
oh
Energiepflanzen
Waldrestholz
Primärenergieverbrauch Deutschland 2004 ~ 14.438 PJ/a
Deutschland technisches Potenzial aus Biomasse ~ 1.260 PJ/a (~ 8,7 %)
Deutschland aus Biomasse derzeit ~ 200 PJ/a (~ 1,4 %)
Bereits genutztes Potenzial
ungenutztes Potenzial
2. Biomasse
Kosten-Potenzial Bioenergie Deutschland
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2. Biomasse
Erneuerbare Energien – Deutschland 2004
253
10.626
1.556
2.596
57.997
500
9.356
21.000
25.000
0 5.000 10.000 15.000 20.000 25.000 30.000 35.000 40.000 45.000 50.000 55.000 60.000 65.000
Bioe thanol
B iodiese l
Geothermie
Solarthe rmie
Biomasse
Photovoltaik
Biomasse
Wasserkraft
Windenergie
Endenergie [GWh]
Strom (gesamt 55.856 GWh)(Anteil an der Stromversorgung ca. 9,3 %)
Wärme (gesamt 62.149 GWh)(Anteil an der Brennstoffversorgung ca. 4,2
Kraftstoffe (gesamt 10.879 GWh)(Anteil an der Kraftstoffversorgung ca. 1,6 %)
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2. Biomasse
Anteil der Biomasse am Primärenergieeinsatz europäischer Länder
FIN SWE AUT DK ITA BRD0
10
20
30
0,8
3,63,8
9,2
16,6
19,6
Biomasse:
Brennholz, Sägenebenprodukte, landwirtschaftliche
Reststoffe, Energiepflanzen, Ablaugen aus der
Papier- und Zellstoffindustrie, Alt- und Restholz
Bio
ma
ss
ea
nte
il [%
]
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2. Biomasse
Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) (Biomasse)
Leistungsabhängigbis 150 kW 11,5 ct/kWhbis 500 kWh 9,9 ct/ kWhbis 5 MW 8,9 ct/ kWhbis 20 MW 8,4 ct/ kWh
KWK-Zuschlag 2 ct/ kWh
Innovationsbonus 2 ct/ kWh
NaWaRo-Bonusbis 500 kW 6 ct/kWhbis 5 MW (Holz/and.) 2,5/ 4 ct/kWh
(BZ, GT, DT, ORC, Kalina-Cycle -Anlagen, oder Stirling-Motoren )
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2. Biomasse
EU Ziele zum Einsatz erneuerbarer Energien (EE) in verschiedenen Sektoren
Anteil am Energieverbrauch insgesamt
• 12 % EE bis 2010 – aktuell 6%
Elektrizität (ca. 45 % des EU Energieverbrauchs)
• 21 % EE bis 2010 – aktuell ca. 14 %
Heizung (ca. 30 % des EU Energieverbrauchs)
• Kein spezifisches Ziel festgelegt
Biotreibstoffe (ca. 25 % des EU Energieverbrauchs)
• 5,75 % EE bis 2010 - aktuell 1,4 %
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2. Biomasse
Heizwerte in Abhängigkeit des Wassergehaltes
0 10 20 30 40 50 603
6
9
12
15
18
21
Stroh
Roggenstroh
Gerstenstroh
Holz
Nadelholz
Laubholz
He
izw
ert
[M
J/kg
]
Wassergehalt [%]
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2. Biomasse
Energieinhalte unterschiedlicher Biomasse
6,115,3400Scheitholz
9,115,3600Holzpellets
24,428870Steinkohle
3,815,3250Holzhackschnitzel
Pellets
Häcksel
Ballenform
3642860Heizöl
7,514,4520Stroh
1,014,470Stroh
2,214,4150Stroh
Energiedichte [GJ/m³]
Heizwert Hu [MJ/kg]
Dichte [kg/m³]
Brennstoff
Holzpellets benötigen das 4-fache Lagervolumen im Vergleich zu Heizöl
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Flüchtigengehalt, Restkoks und Aschegehalt
Holz
Flüchtige
76%
Asche
3%
Koks
21%
StrohFlüchtige
73%
Asche
6%
Koks
21%
Braunkohle
Flüchtige
52%
Asche
13%
Koks
35%
Steinkohle
Flüchtige
23%
Asche
9%
Koks
68%
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2. Biomasse
CO2-Emissionen von Biomasse
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2. Biomasse
Studie zur Ermittlungder CO2-Emissionen bei
der thermischenNutzung von Biomasse
Ermittlung des Energieaufwandes und derCO2-Emissionen von
� Anbau von Biomasse� Ernte und Aufbereitung � Transport und
thermische Nutzung
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2. Biomasse
Energieaufwand und CO2-Emissionen der Prozessschritte
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2. Biomasse
CO2-Minderung bei der thermischen Nutzung von Biomasse
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3. Biomasseumwandlung
Einteilung von thermischen Biomassekonversionsverfahren
• Art der Biomasse: Holz, Stroh, Reststoffe, Energiepflanzen
• Brennstoffumwandlung: Verbrennung, Vergasung, atmosphärisch, druckaufgeladen
• Krafterzeugung: Verbrennungsmotor, Gasturbine, Dampfturbine, Stirlingmotor, Brennstoffzelle
• Leistungsgröße• Produkte: Strom, Wärme, Strom und Wärme, Kraftstoffe• Mono- oder Co-Nutzung
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3. Biomasseumwandlung
Biomasseumwandlungsverfahren
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3. Biomasseumwandlung
Zentrale – Dezentrale Nutzung
Power plant output [MW]
100050010050101 50.50.1
Effi
cien
cy [%
]
1520
30
40
50
60
70
steampowerplant
gas turbinepower plant
micro GT
PEM
combined-cyclepower plant
SOFC
diesel engine
spark ignition engine
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3. Biomasseumwandlung
Brennstoffeinsparung durch KWK
%92%25 == gesel ηη
Kraftwerk Kraft-Wärme-Kopplung
%37%37 == gesel ηη
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3. Biomasseumwandlung
Wirtschaftliche Einsatzmöglichkeiten
Quelle: Energie aus Biomasse
ZAE BAYERN3. Biomasseumwandlung
StückholzkesselKesselregelung
Füllschacht
Primärluftzufuhr
Ascheräume
Vergasungszone und Glutbett
Sekundärluftzufuhr
Nachbrennkammer(Gasbrennkammer)
Kesseldämmung
Saugzuggebläse
Lambda-Sonde
Abgastemperaturfühler
Sicherheitswärmetauscher
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3. Biomasseumwandlung
Automatische Feuerung mit
Rostfeuerung 30 -200 kW
– Pellets, Hackschnitzel– luftgekühlter,
bewegtem Stufenrost – direkter
Brennstoffeintrag
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Pelletkesseln in Deutschland
1999 2000 2001 2002 2003 20040
5.000
10.000
15.000
20.000
25.000
30.000
Anzahl Pelletkessel gesamt
27.000
35.000
3. Biomasseumwandlung
Pelletkessel in Deutschland
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0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
0 200 400 600 800 1.000 1.200 1.400 1.600 1.800
Sekunden
CO
ppm
CO ppm Brennteller mit ruhigem Brennstoffbett
CO ppm Vorschubrost mit bewegtem Brennstoffbett
3. Biomasseumwandlung
Pelletfeuerung CO - Emissionen
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3. Biomasseumwandlung
Staubemissionen bei Kleinanlagen
< 2,5 µm 2,5 – 10 µm > 10 µm
0.0E+00
1.0E+08
2.0E+08
3.0E+08
4.0E+08
5.0E+08
6.0E+08
7.0E+08
8.0E+08
0.01 0.1 1 10Dp [um]
Num
ber
dN/d
logD
p[1
/cm
³]
Anzahlverteilung
0
50
100
150
200
250
0.01 0.1 1 10Dp [um]
Mas
sdM
/dlo
gDp
[mg/
m³]
Massenverteilung
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3. Biomasseumwandlung
Reduktion der Staubemissionen bei Kleinanlagen
- verbesserte Verbrennungstechniken
- Rauchgasreinigung, E-Filter-70%, Metallgewebefilter-90%, Rauchgaskond.-50%RGK: Brst.-Kostenreduktion Haushalt 120-180 €/a, Kleinheizwerke 1.000-2.000 €/a
Quelle: Kleinelektrofilter, EMPA, Schmatloch 10-20 kVQuelle: Metallgewebefilter, Oskar Winkler FiltertechnikQuelle: CFD Simulation der Partikelflugbahnen in einem
Hackgutkessel mit CFX, ZAE Bayern
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7 - 913
1313
1312
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120
50 13 187 0,40 0,52 0,036
€/Rm (Ster) €/Srm €/t €/l €/l €/kWh
Scheitholz Hackgut Pellets Heizöl 1
Heizöl2
Erdgas
€/M
Wh
Wär
me
InvestitionskostenBetriebskostenBrennstoffkosten
3021
48 4862
61
42 37
37
60
32
50
8 - 14
20-23
19
Fern-Wärme*
8 - 13
€/Srm
32
52
3. Biomasseumwandlung
Kostenvergleich bei 15 kW Heizlast
Alle Angaben inkl. MWSt., Zeitraum 20 Jahre, inkl. Förderung, Zinssatz 5%, *Fernwärme: Hackgut monovalent und bivalent mit HeizölBasis Jahresenergiebedarf 19.300 kWh/Jahr Gesamtenergiebedarf
ZAE BAYERN3. Biomasseumwandlung
Stromerzeugung in KleinstanlagenStirlingmotor 1 - 3 kW el
- ca. 1 bis 3 kWel- ηel ca. 6 - 22%-meist Stickstoff oder Helium
Quelle: Sunmachine
Quelle: Stirling Power Module Energieumwandlungsges mbH
Stirlingmotor 35 bzw. 70 kW el
ca. 240 kW bzw. 480 kW thermisch (max. 50% der Spitzenlast)
ηel ca. 12%
Quelle: Mawera, Hackgutkessel mit 35 kW Stirlingmotor
� 600 bzw. 1.000 kW ab Heizhaus
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3. Biomasseumwandlung
Bio-HKW in Pfaffenhofen
� Biomassekessel mit wassergekühlten VibrationsrostFeuerungswärmeleistung: 26,7 MW; Dampfparameter: Temperatur 450°C, Druck 60 bar abs
� Wärmeverkauf : 120 GWh jährlich (ca. 10.000 Haushalte)
� Dampfturbine : 7,5 MVA; jährl. Stromerz.: 42 GWh (10.000 Haushalte)
� Brennstoff : 80.000 t/a100% Waldhackschnitzel
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Biomasse-Heizkraftwerk Pffafenhofen
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3. Biomasseumwandlung
Mitverbrennung von Biomasse in KraftwerkenMassvlakte/ NL
� 2 x 540 MWel� Staubfeuerung� 183 bar/ 47 bar, 540 °C� Wirkungsgrad 40,6 %� Zugabe von verschiedenen
Biomassen/ Abfällen derzeit 6.8 % (Energieinhalt)
� Zukünftig bis 20 %
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3. Biomasseumwandlung
Kraftstofferzeugung
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3. Biomasseumwandlung
Potenziale von Biokraftstoffen
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3. Biomasseumwandlung
Vergasung und Synthese
CH1,4O0,7 ==> -[CH2]-
Aufgabe: Biomasse zu KohlenwasserstoffAufgabe: Biomasse zu Kohlenwasserstoff
MMöögliche Lgliche Löösung: Umsetzung zu Synthesegassung: Umsetzung zu Synthesegas
CH1,4O0,7 ==> CO + H2
Synthesen:Synthesen:
CO + H2 ==> - [CH2]n- + H2O
CO + 2H2 ==> CH3OH
FischerFischer--TropschTropsch
MethanolMethanol
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3. Biomasseumwandlung
Biomass to Liquid (BtL-Kraftstoffe)
++ Nutzung der vorhandenen Infrastruktur Nutzung der vorhandenen Infrastruktur
++ Anpassung an die Anforderungen Anpassung an die Anforderungen
++ Nutzung aller Arten von Biomasse Nutzung aller Arten von Biomasse -- Geringe EnergieausbeuteGeringe Energieausbeute-- Herstellungsverfahren ist komplex und nicht fHerstellungsverfahren ist komplex und nicht füür eine r eine
(stark) dezentralisierte Produktion geeignet(stark) dezentralisierte Produktion geeignet
Carbo-V® Prozess von Choren 2007 Inbetriebnahme einer Demonstrationsanlage mit 2007 Inbetriebnahme einer Demonstrationsanlage mit
ca. 50 ca. 50 MWthMWth / 15000 t/a in Freiberg / 15000 t/a in Freiberg
ZAE BAYERN3. Biomasseumwandlung
Synthetische Kraftstoffe aus Biomasse
Quelle Choren Industries, Carbo-V Verfahren, Regenerative Kraftstoffe 2003, ZSW Stuttgart
Biokoks
Biomasse, Kunststoff, ...(Kohlenstoffhaltig)
Fischer TropschSynthese
oder Methanol-herstellung (K)
Synthesegas
Synth. K
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Zweistufige Vergaser: Güssing/ TUM
C. Pfeifer et al, Ind. Eng. Chem. Res. 2004, 43, 1634-1640
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Biofuel production Market
Kind/Criteria
FT-Diesel
MeOH
SNG
H2
Overall thermalefficiencya
Technicaleffortb
Chances today Efforts for marketpenentration
3. Biomasseumwandlung
Vergleich von Diesel, Methanol, SNG, und Wasserstoff
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3. Biomasseumwandlung
Biogas-anlagen
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3. Biomasseumwandlung
Potential und Entwicklung von Biogas
� Biogas hat das Potential 20% des deutschen Erdgasverbrauches zu ersetzen ( = 4 % des Primärneregieverbrauches)
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3. Biomasseumwandlung
Biogaseinspeisung ins Erdgasnetz
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3. Biomasseumwandlung
GestehungskostenErdgas Strom
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Zusammenfassung
- Biomasse ist ein Festbrennstoff und enthält schwierige Inhaltsstoffe- Biomasse im Wärmemark konkurrenzfähig- Staub- und Feinstaubemissionen bei Kleinanlagen- Kostengünstige Anlagen mit KWK im Leistungsbereich bis 1 MW
fehlen- Im MW-Bereich viele Anlagen zur Stromerzeugung mit Förderung
des EEG- Kraftstofferzeugung
- Dezentrale Nutzung: Einfaches Verfahren- Komplexe Verfahren erfordern große Anlagen
